CN110080749B - 一种通用自适应高速测井遥传系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通用自适应高速测井遥传系统，包括：井下系统和地面系统两部分，两部分通过单芯或多芯电缆进行数据传输；地面系统位于地上，实现命令下传的压缩与调制以及上传数据的解调等功能，井下系统利用测井电缆供电，通过与井下仪器总线系统通信进行数据实时采集传输，实现上传数据的压缩与调制以及下传命令的解调。本发明解决了测井系统中数据的遥传问题，并能够在不同信道环境下实现自适应的高可靠数据传输。

Description

一种通用自适应高速测井遥传系统
技术领域
本发明涉及一种通用自适应高速测井遥传系统，属于深地勘探领域。
背景技术
深地勘探中的井下数据传输系统由井下采集阵列间的传输系统和井下采集设备与地面控制中心间的测井遥传系统组成，其中测井遥传系统的性能决定了整个井下数据传输系统的性能。测井谣传系统的功能主要是通过传输介质如泥浆、电缆、光纤等将测井采集系统采集到的井下数据传输到地面控制中心，同时将地面控制中心的指令传输至测井采集系统。测井遥传系统传输速度的快慢是衡量测井设备性能优劣的重要指标。
目前行业内顶尖的装备及服务提供厂家主要集中在美国及西方经济发达国家：如OYO Geospace、斯伦贝谢、哈里伯顿、SERCEL等。其中具有代表性的产品例如，哈里伯顿公司的LOG—IQ系统，此系统在测井电缆上采用非对称数字用户线(ADSL)技术来提高数据传输速率，并使用以太网总线进行数据的传输。当电缆长度为25000ft(约7km)时，上传速度可达800kbps，下传速度30kbps；为了进一步的提高测井效率和缩小仪器尺寸，这些测井公司在测井设备的研发上采用了大规模集成电路。并且采用统一标准的数据通信接口，方便了不同系列产品的交叉使用。采用模块化的设计思路，使仪器的检修更加的方便快捷。他们的测井系统经过不断研发升级，引入当今最新的科研技术，代表了测井系统中最高水平。
国内对测井系统的研究起步晚，和国外的技术水平有一定的差距。不过随着国内研究单位对测井系统研发的重视，通过设备引入和自主研发，国内研发的系统目前已经成套的投入使用中。例如，EILog快速成像测井系统在2005年由中国石油集团测井有限公司技术中心研制成功，采用了编码正交频分复用(COFDM)的调制方式，数据传输速率可达到430Kbps。
综上所述，我国在测井高新技术上与国外的领先技术还存在着较大的差距，仍然需要提高测井遥传系统性能，增加传输速率。
随着深地资源勘探中测井深度不断加深，数据量不断增加，测井遥传系统的性能决定了测井系统中挂载井下仪器的数量以及数据的准确性，这对测井遥传系统的传输速率和误码率提出了更高的要求。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种通用自适应高速测井遥传系统，解决测井系统中数据的遥传问题，并能够在不同信道环境下实现自适应的高可靠数据传输。
为了解决上述问题，本发明提供一种通用自适应高速测井遥传系统，利用现场可编程逻辑阵列FPGA实现OFDM调制解调技术，在单芯或多芯电缆上进行频分复用的全双工通信，在同一信道上分频传输上行数据和下行数据，并能够在7km七芯铠装电缆上达到 1Mbps以上的传输速率。
本发明的一种通用自适应高速测井遥传系统，包括：井下系统和地面系统两部分，两部分通过单芯或多芯电缆进行数据传输；
地面系统位于地上，实现命令下传的压缩与调制以及上传数据的解调功能；地面系统包括地面总线数据接口，地面DSP，地面FPGA，地面VCO，地面电缆驱动器，地面接收差分放大器，地面隔离变压器，地面ADC和DAC；
井下系统利用测井电缆供电，通过与井下仪器总线系统通信进行数据实时采集传输，实现上传数据的压缩与调制以及下传命令的解调；井下系统包括：井下总线数据接口，井下DPS，井下FGA，井下电缆驱动器，井下接收差分放大器，井下隔离变压器，井下 ADC和井下DAC；
传输过程分为训练阶段和传输阶段；
训练阶段：地面系统和井下系统上电后，进入信道训练阶段，井下系统中的井下DSP 向井下FPGA发送预先设定好的训练序列，井下FPGA将训练序列转发给井下DAC将数字信号转为模拟信号，再经井下DAC电缆驱动器与井下隔离变压器将信号耦合到测井电缆中；
该信号经地面隔离变压器传输到地面接收差分放大器，经过地面ADC采样后转化为数字信号传输至地面FPGA，并转发给地面DSP；地面DSP通过对接收到的训练序列与预先设定的序列对比，进行信道估计、时域频域均衡、采样频率同步和比特分配训练；
地面DSP通过训练得到比特分配表，信道增益，信道均衡参数后，将这些参数送至地面FPGA，地面FPGA使用特定信道对训练得到的参数进行4QAM的OFDM调制后发送给井下系统；井下系统接收到这些参数后，对信道增益，信道均衡和比特分配表进行配置，完成数据交换，结束训练阶段；
传输阶段：结束训练阶段后进入传输阶段；待发送数据分别通过地面或井下总线接口进入地面DSP或井下DSP，地面DSP或井下DSP分别将数据转发给地面FPGA或井下 FPGA，地面FPGA或井下FPGA针对不同类型数据进行数据压缩，再通过训练阶段获得的比特分配表进行各个信道上MQAM星座映射后实现OFDM调制，调制后的数据送入地面DAC 或井下DAC数字信号转为模拟信号，再通过电缆驱动器与隔离变压器将信号耦合到测井电缆中；
该信号经井下或地面的隔离变压器传输到接收差分放大器，经过井下或地面ADC采样后转化为数字信号传输至井下或地面FPGA，井下或地面FPGA对信号进行OFDM解调，根据比特分配表进行星座逆映射，解压缩后送入井下或地面DSP，井下或地面DSP将数据转发给井下或地面数据总线，完成数据传输。
所述传输阶段，地面FPGA或井下FPGA针对不同类型数据进行数据压缩时，在FPGA上使用熵编码加预测编码的方式对数据实现压缩，压缩率达到50-60％，提升系统传输速率。
所述传输阶段，地面DSP或井下DSP分别将数据转发给地面FPGA或井下FPGA时，先由DSP进行仪器总线控制与数据转发，再通过FPGA实现数据压缩与调制，取代了仅由DSP实现调制的模式，减小了总体功耗，减轻了井下散热压力。
所述传输阶段，井下或地面FPGA对信号进行OFDM解调时，接收数据时，先由FPGA实现数据同步，解调与解压，再通过DSP进行总线控制与数据转发，取代了仅由DSP实现解调的模式，减小了总体功耗，减轻了井下散热压力。
所述获得的比特分配表进行各个信道上MQAM星座映射时，采用先进行信道训练，获得比特分配表，信道增益参数，信道均衡参数再进行传输的方式，传输过程中由FPGA 根据比特分配表实现各个信道上MQAM星座映射，根据信道增益参数与信道均衡参数对接收数据进行增益与均衡，从而能够对不同长度，不同缆芯数量的测井电缆实现自适应的高可靠高速数据传输。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)目前已有的测井数据遥传系统，数据传输率低，且随着长度增加，不能自适应调节数据传输的参数。本发明主要是为了解决测井系统中数据的遥传问题，并能够在不同信道环境下实现自适应的高可靠数据传输。这样可以提高长缆数据传输速率和可靠性，对测井仪器的性能提升具有重要意义，市场潜力大，具有广阔的应用前景。
(2)本发明采用数据压缩的方式压缩采集数据，虽然深地矿产，石油等资源勘探过程中的电磁数据相关性较差，很难进行压缩，但这部分数据量很小，一般只需100kbps 左右的速率即可满足需要，而勘探过程中的声波数据则具有数据量大，相关性好的特点，利用压缩算法可无损压缩掉50-60％的数据，因此对数据进行分类压缩相对于直接对数据进行调制解调可进一步大幅提升数据传输速率。
(3)本发明采用先训练再传输的方式，相对于传统的固化比特分配表等参数的方式可以根据信道的不同特性进行调整，实现更高的数据传输速率与更低的误码率，从而可以在矿产勘探，石油勘探等不同场合中的四芯电缆，七芯电缆等不同电缆上实现高速高可靠的长距离数据传输。
(4)本发明使用DSP进行信道训练，而在传输阶段DSP主要起到控制仪器总线以及数据转发的作用，由FPGA实现OFDM的调制与解调，相较于由DSP实现调制解调有更小的功耗，且FPGA分担了DSP的负担后可以采用更低功耗的DSP处理器，缓解井下部分的供电以及散热的压力。
附图说明
图1为本发明测井遥传系统结构框图；
图2为本发明OFDM调制模块逻辑框图；
图3为本发明OFDM解调模块逻辑框图；
图4为本发明的数据压缩示意图。
具体实施方式
以下部分将结合附图以及具体的工作流程来进一步说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，为本发明测井遥传系统结构框图。
地面系统位于地上，实现命令下传的压缩与调制以及上传数据的解调等功能，主要包括地面总线数据接口，数字信号处理器(DSP)，现场可编程逻辑门阵列(FPGA)，电缆驱动器，接收差分放大器，隔离变压器，模数转换器(ADC)，数模转换器(DAC)。
井下系统利用测井电缆供电，通过与井下仪器总线系统通信进行数据实时采集传输，实现上传数据的压缩与调制以及下传命令的解调。主要包括井下总线数据接口，数字信号处理器，现场可编程逻辑门阵列，电缆驱动器，接收差分放大器，隔离变压器，模数转换器，数模转换器。
地面和井下系统上电后，进入信道训练阶段，井下系统中的DSP向FPGA发送预先设定好的训练序列，FPGA将序列转发给DAC将数字信号转为模拟信号，再通过电缆驱动器与隔离变压器将信号耦合到测井电缆中。
该信号经地面的隔离变压器传输到接收差分放大器，经过ADC采样后转化为数字信号传输至FPGA转发给DSP。地面DSP通过对接收到的训练序列与预先设定的序列对比，进行信道估计，时域频域均衡，采样频率同步，比特分配等训练。
地面DSP通过训练得到比特分配表，信道增益等参数后，将参数送至FPGA使用特定频率信道进行4QAM的OFDM调制发送给井下系统。井下系统接收到训练信息后，对信道增益和分配表进行配置，完成数据交换。
结束训练阶段后系统进入传输阶段。待发送数据通过地面/井下总线接口进入DSP， DSP将数据转发给FPGA，FPGA首先针对不同类型数据进行数据压缩，数据压缩主要针对声波信号，如图4所示，若每次压缩针对单个采样通道、16个采样周期的声波数据则包含以下步骤：
(1)预测编码：
地震波数据的变化幅度远小于其幅值，所以相邻的两个地震数据之差的绝对值通常很小，可采用差分的方式进行预测编码。若原始数据为：X1，X2，...，Xn，则差分数据为：X1，X2-X1，...，Xn-Xn-1。
差分前的原始数据是24bit的，差分后的数据至多需要用25bit表示。
(2)熵编码
在预测编码之后，信号中存在统计冗余(即小幅度比大幅度出现的概率大)，故可依据信号幅度的概率分布特点来压缩数据。
差分后的数据可用25bit表示，其大小位于[-16777216,16777215]区间，并且差分数据中的多数数值都很小，因此我们可按照如下方式压缩数据：
如果差分数据位于[-64,63]区间，可用一个字节A[7:0]表示该数据。A[7] 为差分数据的符号位，A[6]＝0，A[5:0]为差分数据的绝对值。
如果差分数据位于[-8192,8191]区间，可用两个字节B[15:0]表示该数据。 B[15]为差分数据的符号位，B[14:13]＝10，B[12:0]为差分数据的绝对值。
如果差分数据位于[-1048576,1048575]区间，可用三个字节C[23:0]表示该数据。C[23]为差分数据的符号位，C[22:20]＝110，C[19:0]为差分数据的绝对值。
无论如何，可用四个字节D[31:0]表示该数据。D[31]为差分数据的符号位， D[30:28]＝111，D[27:0]为差分数据的绝对值。经过测试，连续16个周期共48个字节的声波数据经过上述压缩(预测和熵编码)之后，数据量平均可达原始数据大小的 50％-60％。
压缩完成后FPGA再通过训练阶段获得的比特分配表进行OFDM调制，发送端调制过程如图2所示，其具体步骤如下：
(1)在每次发送数据之前，需先发送数个同步序列，利用其具有较强相关性的特点，用于接收端进行同步。同步序列通常可以用频域数据经过IFFT处理生成，但因为同步序列的数据是预先确定的，所以经过IFFT变换后得到的时域数据也是确定的。因此，设计时可以直接将同步序列的时域数据存在片内存储器资源中，发送时只需按规定的时序读出即可，不用再进行IFFT处理。
(2)对数据进行RS编码与数据交织，RS编码是一种高效的前向纠错码，可以大幅提升数据传输的可靠性，降低误码率。
(3)利用训练阶段获得的比特分配表对每个子载波进行0-10比特的M-QAM映射，可以大大提高频谱的利用率。
(4)映射后的数据进行IFFT(逆傅里叶变换)，利用IFFT运算将数据调制到频率不同且频谱相互正交的子载波上，随后在每个OFDM符号的前端加入循环前缀以防止OFDM 各个符号间的干扰，完成OFDM调制。
调制完成后的数据送入DAC数字信号转为模拟信号，再通过电缆驱动器与隔离变压器将信号耦合到测井电缆中。
该信号经地面的隔离变压器传输到接收差分放大器，经过ADC采样后转化为数字信号传输至FPGA，FPGA对信号进行OFDM解调，接收端解调过程如图3所示，具体步骤如下：
(1)接收端首先接收到发送端发来的同步序列，利用相关能量的算法对同步序列进行相关性计算，当相关性达到最大时表示OFDM符号帧的起始，从而实现符号同步。
(2)根据训练阶段获得的时域均衡参数对OFDM符号进行时域均衡，减小由于信道时域响应而带来的OFDM符号间干扰。
(3)去除循环前缀，使用FFT(傅里叶变换)实现OFDM解调，并利用训练阶段获得的频域均衡参数对解调后的数据进行频域均衡，对由于电缆衰减带来的各频率上的衰减进行补偿。
(4)利用训练阶段获得的比特分配表对每个子载波实现M-QAM逆映射，并进行解交织，RS解码等调制过程中的逆过程，完成解调过程。
解调完成后FPGA再对其进行解压缩，对上述压缩的数据格式，其解压方法如下：
压缩后的数据是若干个字节的数据，首先要判断哪几个字节(1到4字节)对应一个声波数据。从缓存区中读取一个字节的数据A[7:0]，如果A[6]＝0，该数据为1个字节；如果A[6:5]＝10，该数据为2个字节；如果A[6:4]＝110，该数据为3个字节；如果A[6:4]＝111，该数据为4个字节。
通过以上方法将差分后的数据分离出来，转换成25bit的数据；再进行差分逆变换，得到24bit的原始地震数据。
解压完成后FGPA将数据送入DSP，DSP将数据转发给井下/地面数据总线，完成数据传输。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此凡本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种通用自适应高速测井遥传系统，其特征在于，包括：井下系统和地面系统两部分，两部分通过单芯或多芯电缆进行数据传输；
地面系统位于地上，实现命令下传的压缩与调制以及上传数据的解调功能；地面系统包括地面总线数据接口，地面DSP，地面FPGA，地面VCO，地面电缆驱动器，地面接收差分放大器，地面隔离变压器，地面ADC和DAC；
井下系统利用测井电缆供电，通过与井下仪器总线系统通信进行数据实时采集传输，实现上传数据的压缩与调制以及下传命令的解调；井下系统包括：井下总线数据接口，井下DPS，井下FGA，井下电缆驱动器，井下接收差分放大器，井下隔离变压器，井下ADC和井下数DAC；
传输过程分为训练阶段和传输阶段；
训练阶段：地面系统和井下系统上电后，进入信道训练阶段，井下系统中的井下DSP向井下FPGA发送预先设定好的训练序列，井下FPGA将训练序列转发给井下DAC将数字信号转为模拟信号，再经井下DAC电缆驱动器与井下隔离变压器将信号耦合到测井电缆中；
该信号经地面隔离变压器传输到地面接收差分放大器，经过地面ADC采样后转化为数字信号传输至地面FPGA，并转发给地面DSP；地面DSP通过对接收到的训练序列与预先设定的序列对比，进行信道估计、时域频域均衡、采样频率同步和比特分配训练；
地面DSP通过训练得到比特分配表，信道增益，信道均衡参数后，将这些参数送至地面FPGA，地面FPGA使用特定信道对训练得到的参数进行4QAM的OFDM调制后发送给井下系统；井下系统接收到这些参数后，对信道增益，信道均衡和比特分配表进行配置，完成数据交换，结束训练阶段；
传输阶段：结束训练阶段后进入传输阶段；待发送数据分别通过地面或井下总线接口进入地面DSP或井下DSP，地面DSP或井下DSP分别将数据转发给地面FPGA或井下FPGA，地面FPGA或井下FPGA针对不同类型数据进行数据压缩，再通过训练阶段获得的比特分配表进行各个信道上MQAM星座映射后实现OFDM调制，调制后的数据送入地面DAC或井下DAC数字信号转为模拟信号，再通过电缆驱动器与隔离变压器将信号耦合到测井电缆中；
该信号经井下或地面的隔离变压器传输到接收差分放大器，经过井下或地面ADC采样后转化为数字信号传输至井下或地面FPGA，井下或地面FPGA对信号进行OFDM解调，根据比特分配表进行星座逆映射，解压缩后送入井下或地面DSP，井下或地面DSP将数据转发给井下或地面数据总线，完成数据传输；
所述传输阶段，地面DSP或井下DSP分别将数据转发给地面FPGA或井下FPGA时，先由DSP进行仪器总线控制与数据转发，再通过FPGA实现数据压缩与调制，取代了仅由DSP实现调制的模式，减小了总体功耗，减轻了井下散热压力；
所述传输阶段，井下或地面FPGA对信号进行OFDM解调时，接收数据时，先由FPGA实现数据同步，解调与解压，再通过DSP进行总线控制与数据转发，取代了仅由DSP实现解调的模式，减小了总体功耗，减轻了井下散热压力；
所述获得的比特分配表进行各个信道上MQAM星座映射时，采用先进行信道训练，获得比特分配表，信道增益参数，信道均衡参数再进行传输的方式，传输过程中由FPGA根据比特分配表实现各个信道上MQAM星座映射，根据信道增益参数与信道均衡参数对接收数据进行增益与均衡，从而能够对不同长度，不同缆芯数量的测井电缆实现自适应的高可靠高速数据传输。
2.根据权利要求1所述的通用自适应高速测井遥传系统，其特征在于：所述传输阶段，地面FPGA或井下FPGA针对不同类型数据进行数据压缩时，在FPGA上使用熵编码加预测编码的方式对数据实现压缩，压缩率达到50-60％，提升系统传输速率。
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